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第5章 大陆在漂移吗

如果你仔细看过世界地图,会发现南美洲的东海岸与非洲的西海岸是相互吻合的,好像是一块大陆分裂后,南美洲漂出去后形成的。1620年,着名的弗兰西斯·培根就指出过这个事实。以后,法国的普拉赛、德国的洪堡都认为诺亚洪水时两大陆分离,原先的大西洋只是一条大河,诺亚方舟就在这河里行驶。

佩利格里尼是第一个从地质角度对大西洋两岸的两大陆块的相似性进行研究的人。他在1858年写的“地球形成及其奥秘”一书中提出欧洲和北美的煤层中有类似的植物化石,并作了两幅大陆拼合图解释两大陆分离前后的情景。1908年,泰勒为解释现代山脉的起源而提出大陆漂移说。他认为大陆壳像冰盖一样缓慢滑动,欧亚大陆南移,受印度半岛阻挡而形成帕米尔、喜马拉雅等强烈褶皱带;在东南亚,因阻力不大而形成马来亚岛弧。贝克在1911-1928年间发表的论文中多次提出大西洋两岸山脉的拼合是大陆漂移的结果。

在学术界影响最大的的大陆漂移说是德国气象学家魏格纳提出的。他为了说明古气候的问题:为什么热带的羊齿植物曾在伦敦、巴黎甚至格陵兰生长,而巴西、刚果曾为冰川覆盖?1915年,他发表“大陆及海洋的起源”,充分论述大陆漂移的证据。他认为,全世界实际上只有一块大陆,称泛大陆。硅铝层比硅镁层轻,就像大冰山浮在水面上一样,又因为地球由西向东自转,南、北美洲相对非洲大陆是后退的,而印度和澳大利亚则向东漂移了。泛大陆的解体从石炭纪开始,经二叠纪、侏罗纪、白垩纪和第三纪的多次分裂漂移,形成现在的七大洲四大洋。

魏格纳描绘了一幅莱伊尔的渐变论绝对不敢想象和不能接受的海陆构造格局大变动的图案,因而引发了激烈的反对和攻击。30年代初,大陆漂移说几乎已沉寂了。即使在美国,讲授大陆漂移说的教授也会被解聘,可谓逆莱伊尔者亡了。唯一的信奉者在南半球,因为南美、非洲、印度和西澳冰川分布的事实使人们不得不相信这四个大克拉通原先是相连的,被称为冈瓦纳大陆(或南大陆)。

60年代末,随海洋地球物理调查的开展,一度销声匿迹的大陆漂移说以洋底扩张的形式东山再起,这就是板块学说。不同的是,魏格纳的大陆漂移是在康拉德界面上发生的,而板块学说中的大陆板块是在软流圈上漂移的;魏格纳认为,泛海洋被分裂的大陆围成若干洋和海,而板块学说则认为,洋底在洋中脊处扩张在贝尼奥夫带消减。板块学说与魏格纳相同的是受到了一系列学者来自各方面的反对,不过板块没有沉寂,而是迅速成长了。

大陆漂移

地槽-地台学说

曾有人把地球喻为足球,把活动带和稳定区看作是足球的黑、白两色,这演绎出多少令人如痴如醉的故事。地槽-地台学说首次区分出大地构造的这两大基本单位,使地质科学第一次发生了飞跃,也使大地构造学成为地质学中的哲学。

1735-1745年间,法国的测量队在秘鲁测量了纬度1°的距离,发现安第斯山高处的重力引力比依据那个山脉的质量的估算值小很多,他们用深部物质的热膨胀使接近地表的岩石圈上升来解释。1849年,普提比较了比利牛斯山脉和托卢兹,认为山脉岩块产生漂浮作用的原因是质量的不足。普拉特在研究喜马拉雅山麓之后提出:用热的稀薄化最容易说明许多山地非常高的现象。这就是着名的普拉特地壳均衡说。1855年,艾里提出了另一个地壳均衡假说,通俗地说是山有“山根”。

地槽的发源地被认为在阿巴拉契亚山脉。1842年,罗杰斯兄弟指出该山脉上升的原因是“被挤入地下的瓦斯突然地逸出”。1859年,霍尔根据古生代地层的岩性、厚度和强烈褶皱状况及其与邻侧的北美中部平原的对比,认为阿巴拉契亚山是地球上一个独特的沉积区,它能转化为造山带。1873年,丹纳在论述地球收缩和山脉成因时,提出了地槽的概念。1885年,徐士把北美中部平原那样的地区命名为地台区。

地槽的发育要历经两大阶段。第一阶段以强烈下沉为主,堆积了厚达1~2万米的沉积物,伴随有玄武岩喷发。第二阶段以隆起为主(一般从中央部分先开始),沉积地层发生强烈的线状褶皱,伴随着花岗岩侵入和区域变质作用。原先深陷的海槽变成了高耸的山脉,山前凹陷内堆积磨拉石。上升的山脉被不断地剥蚀夷平,地壳的活动性也快速减弱。准平原化后,在褶皱基底上沉积了蓄层,这种构造单元叫地台。换句话说,地台的基本特征是具双层结构;变质的褶皱基底及不整合面以上的盖层。

地槽与地台的差别是根本性质上的,分别代表了地壳的活动带和稳定区。在两者的转化关系上出现了两种迥然不同的观点。“泛地槽”论者认为地球形成初期全球都是地槽,地槽变成褶皱带后发展形成地台,沿这个地台的边缘镶边式地贴上新的褶皱带,使地台面积不断扩大。“泛地台”说则认为地壳形成的初始阶段有一个全球性的原始古地台,由于深大断裂作用被破裂,沿深大断裂发育成地槽。

100多年里,有许多杰出的地质学家为完善和发展地槽-地台学说做出了杰出的贡献,使它的若干观点至今仍不失睿智的光芒。但同时也要看到,今天我们在使用造山作用、造山带这些术语时,已有了完全不同于地槽演化的内涵。

板块学说

大陆板块

地槽-地台学说的提出被学术界认为是地质学的第一次飞跃,而板块学说的诞生毫无疑问地是地质学的第二次革命,有人甚至把它与哥白尼提出日心说在天文学内引起的革命相提并论。一大批名垂青史的科学家曾为板块学说的诞生而兴奋莫名。

1944年,霍姆斯发表地幔对流-热对流理论;他指出地幔内的流体上升到大陆中央并向左右分散,大陆就从这里向两边裂开,这就是大陆漂移的动力源。基于海洋地质工作的进展,赫斯在1961年提出大洋中脊是新地壳不断形成的地方。狄茨、瓦因、马修斯等人1963年论述了洋底扩张的存在,即:地幔对流驱使超基性物质从大洋中脊裂缝中上升,产生新的洋壳,促使较老的地壳向外推移并进入海沟,俯冲到地幔中而消亡。1964年,柯克斯编制了3.4百万年的磁场反向年代表。

1965年,威尔逊提出了转换断层概念,将大陆漂移和洋底扩张结合成全球活动带和刚性板块的学说,并把它称为“地球的诗篇”。1968年,勒皮雄把全球岩石圈划分六大板块,即:太平洋、欧亚、印度、非洲、美洲及南极板块,其中仅前者由洋壳组成,后五者不但包括了海洋地壳还包括了大陆地壳。

为检验和研究板块构造学说,60~70年代,曾组织了一系列的国际合作计划。其中着名的有:1963-1971年的国际地壳上地幔方案,1972-1977的国际地球动力学计划,还有国际海洋勘探十年计划,联合海洋学会地球深部取样计划和深海钻探计划等。1980年提出了岩石圈方案,拟定了地壳和上地幔的形成和发展等13项主要研究项目,这预示着板块构造的发展进入了一个新阶段,即:初期它以海洋走向陆地、地球物理学挑战地质学为标志,80年代起则以陆地走向海洋、地质学挑战地球物理学为标志。

80年代以来,许多地质学家感到板块构造的简单模式并不适用于大陆地区尤其是构造复杂的大陆地区。板块构造发展的重点问题,不是从6个板块划为20个或30个板块,而是要引入一些新概念来解决板块上陆后面临的问题。这样,在美国西部出现了构造地层地体的概念并发展为地体构造说,在欧洲提出了薄皮板块的概念并发展为碰撞构造学,在前苏联出现了岩石圈构造分层说等。在板块的动力学方面也出现了新的构思,如巨地幔柱说。

进入新千年后,随着新理论的出现和新方法的应用,地质科学的第三次革命是不言而喻的。板块构造的简单模式可能会被放弃,但它倡导的活动论的观点、全球构造的观点和多学科协同攻关的方法等将得到发扬光大。也正因为这样,地质学这门古老的科学永远是充满活力的年青科学。

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